本文關(guān)鍵詞： MOPA脈沖光纖激光系統(tǒng) 高峰值功率 非線性效應(yīng) 高斯復(fù)合型增益光纖 全光纖結(jié)構(gòu) 窄脈沖種子源 光脈沖切割降頻　出處：《長(zhǎng)春理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：脈沖主振蕩功率放大光纖激光系統(tǒng)(Master-Oscillator Power Amplifier Fiber Laser System,MOPA)以其輸出功率高、光束質(zhì)量好、可靠性高和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)加工、空間激光通訊、激光武器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。近年來,其研究工作主要集中在提高M(jìn)OPA系統(tǒng)的峰值功率和光束質(zhì)量等方面,而放大過程中系統(tǒng)產(chǎn)生的自發(fā)放大輻射、非線性效應(yīng)、多模耦合效應(yīng)等一直是制約峰值功率和光束質(zhì)量提高的重要因素。本論文針對(duì)MW級(jí)高峰值功率MOPA脈沖光纖激光系統(tǒng)開展研究,旨在探索抑制放大過程中產(chǎn)生的自發(fā)放大輻射、非線性效應(yīng)和多模耦合等問題的方法,提高系統(tǒng)的光脈沖峰值功率和光束質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)MW級(jí)峰值功率的脈沖光輸出。1.基于增益光纖能帶理論,分析了Yb3+的躍遷及輻射特性,解釋了ASE效應(yīng)的產(chǎn)生原理;在此基礎(chǔ)上建立了瞬態(tài)激光速率方程,分析了光脈沖寬度和波形對(duì)于脈沖放大畸變的影響;對(duì)放大過程中幾種非線性效應(yīng)的產(chǎn)生原理進(jìn)行分析,得到非線性效應(yīng)之間的相互制約關(guān)系,分析了幾種非線性效應(yīng)對(duì)輸出光譜和光脈沖形狀產(chǎn)生的影響;對(duì)增益光纖進(jìn)行建模,模擬了不同光纖參數(shù)條件下光纖中的模式分布,為大模場(chǎng)少模光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。2.針對(duì)脈沖半導(dǎo)體激光器種子源調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)半導(dǎo)體激光器調(diào)制過程中的時(shí)間延遲、弛豫振蕩和自脈沖等效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析,通過大信號(hào)調(diào)制和增益開關(guān)法對(duì)弛豫震蕩和自脈沖效應(yīng)進(jìn)行控制,產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖光輸出。在此基礎(chǔ)上采用同軸傳輸原理研制了重復(fù)頻率25 kHz~200kHz的連續(xù)可調(diào)的脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源,獲得了最小脈沖寬度為835ps穩(wěn)定光脈沖輸出的激光種子源。3.針對(duì)高峰值功率光纖放大系統(tǒng)中ASE效應(yīng)、非線性效應(yīng)和自激振蕩等開展研究,分析了信號(hào)光功率和波形、增益光纖長(zhǎng)度、泵浦構(gòu)型和端面反射對(duì)上述效應(yīng)的影響,探索抑制ASE、非線性和自激振蕩效應(yīng)的方法,提高系統(tǒng)光脈沖峰值功率。信號(hào)光輸出功率、增益光纖長(zhǎng)度和泵浦方式對(duì)ASE效應(yīng)激射光的激射功率和激射波長(zhǎng)都有較大影響,光纖長(zhǎng)度與ASE激射光波長(zhǎng)成正比,與ASE激射光功率成反比。在對(duì)mW級(jí)的大信號(hào)放大時(shí),ASE效應(yīng)隨著信號(hào)光的增加而減小,隨著泵浦光功率的增加而增大。在對(duì)μW級(jí)的小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí),信號(hào)光功率大小不會(huì)對(duì)ASE效應(yīng)產(chǎn)生影響,需要采用正向泵浦對(duì)級(jí)聯(lián)光纖放大器提高信號(hào)光的放大倍數(shù),綜合考慮ASE激射光增益和系統(tǒng)放大效率對(duì)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化;種子源脈沖幅值、增益光纖長(zhǎng)度和泵浦方式對(duì)非線性效應(yīng)具有重要影響,在進(jìn)行高峰值功率放大時(shí),當(dāng)增益達(dá)到飽和時(shí)的光纖長(zhǎng)度為最優(yōu),并采用反向泵浦方式對(duì)高脈沖幅值的光脈沖進(jìn)行放大,提高非線性閾值功率;通過對(duì)輸出端面進(jìn)行包層功率剝離和無芯端帽的設(shè)計(jì)減小端面功率密度,在端面研拋斜角和鍍膜減小端面反射,抑制自激振蕩和端面熱損傷。4.針對(duì)MOPA光纖激光系統(tǒng)主放大增益光纖的模場(chǎng)分布和模式增益進(jìn)行理論研究與數(shù)值計(jì)算,探索增大光纖模場(chǎng)面積和實(shí)現(xiàn)少模光輸出的方法,提高系統(tǒng)的非線性閾值功率和輸出光束質(zhì)量�；诙嗄９夥糯罄碚撃Ｐ�,針對(duì)六種典型的折射率和摻雜離子分布中的各階光模式分布與模式增益進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算了不同模式耦合系數(shù)和泵浦條件下的模式功率分布;研究了光纖彎曲效應(yīng)對(duì)模場(chǎng)分布、模場(chǎng)面積和模式損耗的影響。根據(jù)模擬分析結(jié)果,設(shè)計(jì)提出一種兼具大模場(chǎng)和抗彎曲畸變特性的高斯復(fù)合型雙包層增益光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,模場(chǎng)面積達(dá)到1.17×103μm2,基模輸出功率占總功率94.67%,達(dá)到了增大光纖模場(chǎng)面積和少模輸出的目的。5.分別采用全光纖結(jié)構(gòu)和空間耦合結(jié)構(gòu)搭建了兩種MW級(jí)MOPA光纖激光系統(tǒng)。在全光纖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,采用高斯復(fù)合型增益光纖對(duì)光脈沖進(jìn)行放大,在25kHz時(shí)光脈沖寬度和峰值功率分別達(dá)到1.2ns和1.56MW。實(shí)驗(yàn)還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了彎曲選模實(shí)驗(yàn),得到了近單模輸出的光束(=1.52,=1.56);在空間耦合系統(tǒng)中,采用棒狀光子晶體光纖(Rod-like Photonic Crystal Fiber,RPCF)進(jìn)行空間耦合放大,在25kHz時(shí)獲得了脈沖寬度和峰值功率分別為1.12ns和2.01MW的光脈沖光輸出,=1.23,=1.27。最后,在兩套系統(tǒng)中都采用了聲光調(diào)制光脈沖切割方法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在頻率為1kHz~200 kHz的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN248;TN253

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